鋁及鋁合金的焊接

一、鋁及鋁合金的焊接特點

1、鋁在空氣中及焊接時極易氧化,生成的氧化鋁(Al2O3)熔點高、非常穩定,不易去除。阻礙母材的熔化和熔合,氧化膜的比重大,不易浮出表面,易生成夾渣、未熔合、未焊透等缺欠。鋁材的表面氧化膜和吸附大量的水分,易使焊縫產生氣孔。

焊接前應採用化學或機械方法進行嚴格表面清理,清除其表面氧化膜。在焊接過程加強保護,防止其氧化。鎢極氬弧焊時,選用交流電源,通過“陰極清理”作用,去除氧化膜。氣焊時,採用去除氧化膜的焊劑。在厚板焊接時,可加大焊接熱量,例如,氦弧熱量大,利用氦氣或氬氦混合氣體保護,或者採用大規範的熔化極氣體保護焊,在直流正接情況下,可不需要“陰極清理”。

2、鋁及鋁合金的熱導率和比熱容均約為碳素鋼和低合金鋼的兩倍多。鋁的熱導率則是奧氏體不鏽鋼的十幾倍。在焊接過程中,大量的熱量能被迅速傳導到基體金屬內部,因而焊接鋁及鋁合金時,能量除消耗於熔化金屬熔池外,還要有更多的熱量無謂消耗於金屬其他部位,這種無用能量的消耗要比鋼的焊接更為顯著,為了獲得高質量的焊接接頭,應當儘量採用能量集中、功率大的能源,有時也可採用預熱等工藝措施。

3、鋁及鋁合金的線膨脹係數約為碳素鋼和低合金鋼的兩倍。鋁凝固時的體積收縮率較大,焊件的變形和應力較大,因此,需採取預防焊接變形的措施。鋁焊接熔池凝固時容易產生縮孔、縮松、熱裂紋及較高的內應力。生產中可採用調整焊絲成分與焊接工藝的措施防止熱裂紋的產生。在耐蝕性允許的情況下,可採用鋁硅合金焊絲焊接除鋁鎂合金之外的鋁合金。在鋁硅合金中含硅0.5%時熱裂傾向較大,隨著硅含量增加,合金結晶溫度範圍變小,流動性顯著提高,收縮率下降,熱裂傾向也相應減小。根據生產經驗,當含硅5%~6%時可不產生熱裂,因而採用SAlSi條(硅含量4.5%~6%)焊絲會有更好的抗裂性。

4、鋁對光、熱的反射能力較強,固、液轉態時,沒有明顯的色澤變化,焊接操作時判斷難。高溫鋁強度很低,支撐熔池困難,容易焊穿。

5、鋁及鋁合金在液態能溶解大量的氫,固態幾乎不溶解氫。在焊接熔池凝固和快速冷卻的過程中,氫來不及溢出,極易形成氫氣孔。弧柱氣氛中的水分、焊接材料及母材表面氧化膜吸附的水分,都是焊縫中氫氣的重要來源。因此,對氫的來源要嚴格控制,以防止氣孔的形成。

6、合金元素易蒸發、燒損,使焊縫性能下降。

7、母材基體金屬如為變形強化或固溶時效強化時,焊接熱會使熱影響區的強度下降;鋁為面心立方晶格,沒有同素異構體,加熱與冷卻過程中沒有相變,焊縫晶粒易粗大,不能通過相變來細化晶粒。

二、焊接方法

幾乎各種焊接方法都可以用於焊接鋁及鋁合金,但是鋁及鋁合金對各種焊接方法的適應性不同,各種焊接方法有其各自的應用場合。氣焊和焊條電弧焊方法,設備簡單、操作方便。氣焊可用於對焊接質量要求不高的鋁薄板及鑄件的補焊。焊條電弧焊可用於鋁合金鑄件的補焊。惰性氣體保護焊(TIG或MIG)方法是應用最廣泛的鋁及鋁合金焊接方法。鋁及鋁合金薄板可採用鎢極交流氬弧焊或鎢極脈衝氬弧焊。鋁及鋁合金厚板可採用鎢極氦弧焊、氬氦混合鎢極氣體保護焊、熔化極氣體保護焊、脈衝熔化極氣體保護焊。熔化極氣體保護焊、脈衝熔化極氣體保護焊應用越來越廣泛。

1)氣焊

氣焊的熱功率比電弧焊低,熱量分散,因而焊件變形大,生產效率低。且焊縫金屬晶粒粗大,組織疏鬆,容器產生夾渣。實際上被氬弧焊所取代。

2)焊條電弧焊

焊條電弧焊的接頭質量較差,工業中應用較少,主要用於焊補。

3)手工鎢極氬弧焊

優點:熱量比較集中,電弧燃燒穩定,焊縫金屬緻密,焊接接頭的強度和塑性較高,接頭質量較優,可焊接的板厚度為1mm~20mm,是焊接鋁和鋁合金最普通的方法。

缺點:此方法不宜在露天操作。

4)熔化極氬弧焊

優點:以焊絲為電極,電流比較大,電弧功率大,熱量集中,焊接速度快,生產效率高。可焊接厚度為小於50mm。

缺點:焊絲直徑受送絲系統的限制,且焊縫的氣孔敏感性較大。

5)熔化極脈衝鎢極氬弧焊

焊接電流小,參數調節範圍廣,焊件變形小,適用於薄板焊和全位置焊。常用於2~12mm。

6)其它不常用的焊接方法:等離子弧焊、真空電子束焊、激光焊、電阻焊等。

按照本公司產品的特點及需求宜採用雙脈衝熔化極氣體保護焊,焊接質量好、生產效率高,但焊機成本較高,國產雙脈衝熔化極氣體保護焊機一套(含送絲機、送絲軟管、焊槍等)約4~5萬元;也採用鎢極交流氬弧焊或鎢極脈衝氬弧焊,此焊接方法焊縫成型美觀,焊機成本較低,約1~2萬元,但此種焊接方法生產效率較低,不宜在露天操作。

1、焊絲的選用主要按照下列原則:

(1)純鋁焊絲的純度一般不低於母材;

(2)鋁合金焊絲的化學成分一般與母材相應或相近;

(3)鋁合金焊絲中的耐腐蝕元素(鎂、錳、硅等)的含量一般不低於母材;

(4)異種鋁材焊接時應按耐腐蝕較高、強度高的母材選擇焊絲;

(5)不要去耐腐蝕性的高強度鋁合金(熱處理強化鋁合金)可採用異種成分的焊絲,如抗裂性好的鋁硅合金焊絲SAlSi-1等(注意強度可能低於母材)。

本公司選用焊絲需待產品鋁合金材質確認後再選取,鋁焊絲價格大概在30~40元/Kg。

2、焊絲、焊件的清洗:

在焊前必須將鋁焊絲(鎢極氬弧焊焊絲需進行表面清理,溶化極氣體保護焊盤絲不需進行表面處理,因為盤絲有保護措施防止氧化、汙染)、鋁板表面上的油汙、氧化膜等汙物清洗掉。清洗方法如下:

a) 去油汙

在清除氧化膜之前,先將鋁絲表面、鋁板坡口及其兩側(各30mm內)的油汙、髒物清洗乾淨。在生產上一般採用汽油或丙酮、醋酸乙酯、松香水、四氯化碳等溶劑。也可配製一種化學混合液進行脫脂處理,其步驟如下:

①在溫度為(60~70)℃的混合溶液(工業磷酸三鈉(40~50)g,碳酸鈉(40~50)g,水玻璃(20~30)g,水1L)中加熱(5~8)min;

②在50℃左右的熱水中沖洗2min;

③冷水中沖洗2min。

清除氧化膜 氧化膜的清理有機械清理及化學清理兩種方法:

①機械清理 在去除油汙後,可用不鏽鋼絲輪、銅絲輪或刮刀,將焊件坡口兩側表面刮淨。這種方法較簡便,但清理的質量較差,主要用於焊縫質量要求不高、焊件尺寸較大、不易用化學方法清理或化學清理後又被局部汙染的焊件。這種方法難於清除焊絲表面的氧化膜。

②化學清理 鋁及鋁合金板材、管子及鋁絲化學清理時,先把鋁板、鋁管及鋁絲放入溫度為40~60℃、濃度8~10%的氫氧化鈉溶液中侵蝕,保持10~15min(對於鋁合金只需5min)後取出,用冷水沖洗2min;再置於30%的硝酸溶液中進行光化處理,以中和餘鹼,避免鹼液繼續腐蝕鋁板、鋁管、鋁絲;再用流動的冷水沖洗2~3min。

按本公司產品特點可採用直徑為0.15mm~0.2mm的銅絲刷或不鏽鋼刷的機械清理方法,不能使用砂輪打磨,因為使用砂輪打磨只會使氧化膜熔合在焊材表面,而不會真正去除。而且如果使用硬質砂輪,其中的雜質會進入焊縫,導致熱裂紋。此外,由於Al2O3 膜在極短的時間內又會重新生成和堆積,為了使氧化膜儘可能少地影響焊縫,清理完畢後應立即施焊。

清理工作完成後,鋁絲應置於150~200℃的烘箱內,隨用隨取。清理過的焊件、焊絲必妥善保管,不準隨意亂放。鋁板坡口清理後宜立即進行裝配、焊接,一般不得超過24h。

3、保護氣體:

保護氣體為氬氣、氦氣或其混合氣。交流加高頻TIG焊時,採用大於99.9%純氬氣,直流正極性焊接宜用氦氣。MIG焊時,板厚<25mm時宜用氬氣;板厚25~50mm時氬氣中宜添加10%~35%的氦氣;板厚50mm~75mm時氬氣中宜添加10%~35%或50%的氦氣;當板厚>75mm時推薦採用添加50%~75%氦氣的氬氣。氬氣應符合GB/T4842-1995《純氬》的要求。氬氣瓶壓低於0.5MPa後壓力不足,不能使用。

按照本公司產品的特點保護氣體採用大於99.9%純氬氣。

4、鎢極

氬弧焊用的鎢極材料有純鎢、釷鎢、鈰鎢、鋯鎢四種。純鎢的熔點和沸點高,不易溶化揮發,電極燒損及尖端的汙染較少,但電子發射能力較差。在純鎢中加入1%~2%氧化釷的電極為釷鎢極,電子發射能力強,允許的電流密度高,電弧燃燒較穩定,但釷元素具有一定的放射性,使用時應採取適當的防護措施。在純鎢中加入1.8%~2.2%的氧化鈰(雜質≤0.1%)的電極為鈰鎢極。鈰鎢極電子逸出功低,化學穩定性高,允許電流密度大,鎢放射性,時目前普遍採用的電極。鋯鎢極可防止電極汙染基體金屬,尖端易保持半球形,適用於交流焊接。

三、總結

綜上所述,結合公司產品發展方向及鋁合金焊接的主流發展趨勢,建議採用雙脈衝熔化極氣體保護焊(應配套鋁合金焊接專用的送絲機及送絲軟管),焊接質量好、生產效率高;保護氣體採用大於99.9%純氬氣;再按產品材質選取合適的鋁合金盤絲(焊絲),焊前焊絲、工件坡口及坡口兩側各50mm範圍應用丙酮去除油汙,用Φ0.2mm左右的不鏽鋼絲刷(輪)清理表面氧化膜,經清理的焊絲和焊件焊前嚴禁沾汙,如超過4h未焊,應重新清理。


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